刮板结构对薄膜蒸发器内气液两相液膜流场影响分析

机械搅拌式薄膜蒸发器(以下简称薄膜蒸发器)是-种通过旋转刮板强制成膜，在真空条件下进行降膜蒸发的新型高效蒸发设备，自20世纪40年代问世以来，国内外对其流动机理、传热性能的优化设计、制造及应用进行 了大量的研究 。由于沸腾传热及刮板刮擦成膜的复杂性，关于膜内速度场研究数据比较缺乏，对薄膜蒸发器 内液膜流 动形态 进行研 究显 得十分 迫切 。文中采用 CFD软件对薄膜蒸发器内气液两相液膜流厨行数值模拟，应用 VOF多相流模型追踪气液相界面，分析讨论了刮板倾角、刮板块数等刮板结构参数对薄膜蒸发器内高粘度料液圈形波形状和速度场的影响，研究结果为刮板结构的进-步优化提供了依据。

1 薄膜蒸发器气液两相液膜分析模型1.1 分析模型的确定图 1示出分析计算的薄膜蒸发器结构简图，液膜位于加热简体和刮板之间的部分，刮膜器由3块厚度为 1 mm的金属板组成，以120。均布在蒸发器内。

文献[9-10]采用 CFD方法对文献[1]中试验数据进行了分析计算，得到薄膜蒸发器内流体的各种速度分布，与 Komori等1 试验得到的速度分布趋势基本-致，且流速大小也较为接近，初步可以证明本文 CFD模型基本正确。但课题组以往的研究模型假设存在-定的不合理性，如将圈形波统-简化为 1/4圆，忽略了物性、刮板结构参数等对圈形波形状的影响，另外，将圈形波的外表面简化为墙，未考虑气相对液相的影响，忽略液相自由表面的波动。文献[11]综合考虑气液两相流的流动，将整个计算区域设置为气液两相流动，模拟中采用旋转坐标系，选用既适用于低雷诺数流动又适用于旋转坐标系的 RNG - 双方程湍流模型封闭动量方程，气液两相流动具有 自由表面，采用流体体积函数法(VOF法)来追踪气液相界面。

分析模型简化假设如下：(1)计算流体是各向同性，均匀且不可压缩· 30 。

的；(2)重力对流体的影响忽略不计，流体运动视作连续运动，液膜轴向速度无变化，仅切向和径向速度改变。

厚1 nl薄膜 圆筒壳(b)图 1 薄膜蒸发器结构简图1.2 分析模型有限元网格基于上述模型简化假设，计算模型简化为二维模型，计算区域设定为气液两相流动。蒸发器的直径250 mm，刮板与蒸发简体问的间距为0.5mm，刮板厚度 1 mm0计算区域有限元网格如图2所示。由于只关注靠近壁面液膜的流动情况，所以在蒸发面附近网格非常密，而在冷凝面附近网格则较稀，网格精度满足网格无关性要求。

2 刮板结构参数影响分析2.1 刮板倾角的改变设置4个倾角水平分别为：0。，15。，30。，45。。

设定薄膜蒸发器的初始液膜厚度 0.75 mm，物料粘度 0.3 Pa·S，物料其他特性参数和水相同，刮板转速60 r/min，时间步长0.0005 S。

CPVT 刮板结构对薄膜蒸发器内气液两相液膜流场影响分析 Vo130.No4 2013发器内的液膜流动进行了数值模拟，模拟结果表明：增加刮板的倾角可以增大液膜的径向速度，从而促进液膜的径向混合，但是倾角增大的同时圈形波的截面积变小，降低了薄膜蒸发器的生产能力。

2-0i篝∞暑dn建1.04.01.O2 3 4 5刮板数图8 刮板块数对液膜平均速度的影响2 3 4 5刮板数图9 刮板块数对液膜内湍动能的影响(2)增加刮板的数 目，圈形波内的平均速度增大，湍动增强，但是当刮板数量过多时，液膜出现了严重的飞溅，此时湍动能减小，不利于物料之间的传热与传质。对于薄膜蒸发器必须选择合理· 34·的刮板倾角和数目，以提高蒸发效率和生产能力。